不同含水率對海相黏土流變特性和流變參數的影響

李 偉，劉叔灼,2，單 毅，孫尉翔

不同含水率對海相黏土流變特性和流變參數的影響

李 偉1，劉叔灼1,2，單 毅3,4，孫尉翔5

（1.華南理工大學土木與交通學院，廣東 廣州 510641；2.華南理工大學亞熱帶建筑科學國家重點實驗室，廣東 廣州 510641；3.廣州大學土木工程學院，廣東 廣州 511442；4.帕多瓦大學地球科學系，帕多瓦 35122；5.華南理工大學材料科學與工程學院，廣東 廣州 510641）

【目的】研究不同含水率對海相黏土流變特性的影響規律，分析其流變特性的作用機理?！痉椒ā拷柚笳袷幖羟性囼?，從儲能/損耗模量、非線性黏彈性、屈服應力、塑性黏度等不同角度，研究含水率對海相黏土流變特性的影響?！窘Y果】儲能模量數值、損耗模量峰值與含水率敏感性保持一致。利用數值擬合獲得海相黏土的塑性黏度、屈服應力隨含水率的變化規律。【結論】海相黏土的非線性黏彈性可通過Lissajous曲線來表征，含水率對海相黏土流變特性有很大影響，增加含水率可削弱其非線性黏彈性，土樣更易屈服，黏度降低。

流變學；海相黏土；含水率；非線性黏彈性

全球（不含南極洲）海岸線總長度為2 259 617.64 km[1]，全球范圍內海岸線變遷較為頻繁，目前總體呈增加趨勢。海相軟土在典型河口三角洲海岸、海域分布廣泛。海岸土受到海浪和潮汐等動荷載作用，在海岸線范圍內會引發海岸滑坡，甚至引發海岸線侵蝕，海岸線的侵蝕與增長已成為全世界廣泛關注的問題之一[2]。

前人通過三軸蠕變試驗研究土的蠕變規律[3-5]。然而海相黏土在海浪和潮汐等外在動力驅逐下，土與波浪形成相互作用，土壤內部產生動力響應[6]，使用蠕變試驗研究土樣的動力響應不符合海相黏土的應用場景，故需選擇一種合適的測試方法研究海相黏土的動力蠕變響應。學者們采用旋轉流變儀測試材料的流變特性[7-8]，進而研究其振蕩流變學。近年來，一些學者開始利用流變儀進行流變試驗對土壤的振蕩流變性質進行研究。沈壽長[9]利用環形錐板式流變儀研究泥石流流體的流變特性。胡華[10]通過同軸圓筒旋轉流變儀試驗分析不同粘粒含量土的流變特性。Markgraf等[11]利用振幅掃描試驗研究有機碳含量對土壤流變性的影響。Baumgarten等[12]使用平行板式旋轉流變儀在振蕩模式下研究不同鹽度河岸土壤的流變特性和參數影響規律。因此，使用旋轉流變儀來研究海相黏土的流變特性是一種合適的測試方法。

土壤含水量是工程地質中常用的土壤參數。軟土含水量對流變特性和流變參數有很大影響[13]，但研究多集中低于液限的土壤[14-16]，很少涉及高于液限的海相黏土。在土樣高于液限的條件下，研究不同含水量對海相黏土流變特性和流變參數的影響規律，對海相黏土的流變學研究有實際指導意義。本研究采用大振蕩剪切試驗，在大應變條件下，探討不同含水量下海相黏土的流變特性，分析其流變特性的作用機理，以期為研究動荷載對土的流變特性的影響、評估海岸邊坡穩定及河道口安全乃至海底邊坡穩定性提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試樣制備

對典型河口三角洲海相黏土的流變特性進行研究，需要嚴格控制試樣的初始條件，同時避免顆粒尺寸、陽陰離子等其他因素的干擾，以保證試驗結果的可靠性。因此，試驗前對礦物進行顆粒級配和XRD測試，保證礦物純度滿足試驗要求和50在相同水平，且測試的全過程均采用去離子水。根據此前調查和試驗[17-18]，制備人工黏土土樣時，采用石英（Q）、長石（F）、蒙脫石（M）、高嶺石（K）4種礦物，按照每20 g土樣中礦物的質量比（Q∶F∶M∶K= 8∶2∶5∶5）確定土樣Q8F2M5K5的礦物組成。采用激光粒度儀對組成試樣的4種礦物顆粒測試顆粒級配，測試結果見圖1。同時，利用X射線衍射試驗、相對密度試驗、液塑限試驗、比表面積試驗分別測試礦物的純度、相對密度、液限、比表面積，試驗結果見表1。

圖1 組成海相黏土的4種礦物顆粒級配

表1 試驗礦物基本參數和物相分析結果

為測試不同含水率對海相黏土流變特性的影響，人工制備1.0倍、1.25倍、1.5倍、2.0倍液限的土樣。去離子水采用蒸餾法制備，并儲存冷卻備用。在制備土樣前，對礦物進行干燥處理，放入烘箱12 h，設置溫度為105 ℃。待礦物烘干完畢，采用電子天平稱量設計質量比的礦物，并將稱量后的礦物放入玻璃容器中以待混合。機械攪拌5 min，以使礦物混合充分。制備不同含水率的土樣，在玻璃容器中加入設計含水率的去離子水，分2次將土樣和去離子水混合均勻，每次機械攪拌3 min。最后將混合好的模擬土壤密封保存備用。

1.2 大振蕩剪切試驗方案

采用TA-Instruments公司（美國）開發的應變控制流變儀（ARES-RFS）測試土樣的流變特性，使用的流變儀系統為葉片轉子系統。流變測試全程采用恒溫器控制溫度在25 ℃。試驗順序如下：1）測試前，設置儀器的流變測試參數。試驗數據記錄的頻率為每10倍記錄5個點，等待調節溫度的時間為300 s；2）為使樣本處于相同的初始條件，試驗裝樣后先靜置10 min；3）設置大振幅掃描試驗的動態應變掃描角頻率，即恒定2.5 rad/s（0.4 Hz），施加振幅增加的振動剪切應變（在1% ～ 100%之間改變施加的剪切應變振幅），每個應變幅值循環10次。大振蕩剪切流變試驗及其相關參數見表2。

表2 海相黏土大振蕩剪切流變試驗及其相關參數

2 結果與分析

2.1 含水率對流變特性的影響

大振蕩剪切流變試驗的應力和應變振幅的關系式[19]為

土樣的流變特性主要受含水量的影響[20]，不同含水量對海相黏土流變特性的影響可歸結于礦物顆粒固體之間的作用。土樣由非黏土礦物（石英、長石）和黏土礦物（蒙脫石、高嶺土）組成，這些礦物顆粒團聚體之間存在空隙，而這些空隙由液態水進行填充。當土樣含水率減少時，固體與固體之間的間距減少，固-固作用增強。在測試過程中，含水率越低，顆粒之間的接觸增加，土樣結構穩定性增加。因此，含水率越低，儲能模量越高，損耗模量越高，代表耗散能的損耗模量峰值也越高。反之，含水率增加，顆粒之間空隙中液態水增多，顆粒固體之間的接觸減少，顆粒之間的摩擦作用減弱，使土樣剛度降低。

圖2 儲能模量在0.4 Hz頻率下隨不同含水率土樣的變化

圖3 損耗模量在0.4 Hz頻率下隨不同含水率土樣的變化

圖4 頻率為0.4 Hz的不同液限下土樣的Lissajous曲線

2.2 含水率對屈服應力的影響

圖5 土樣屈服應力隨含水率變化曲線

土樣流變特性受其組成成分的有關排列、顆粒性質、固-液相互作用的共同影響[23]。圖6為天然土壤元素的廣義示意[24]，土樣中包含黏土區域和準晶體，而黏土區域是高嶺土顆粒，準晶體是蒙脫石顆粒。土樣（土水混合物）由黏土區域、準晶體、非黏土礦物形成團聚體，其孔隙之間則充滿液態水，在顆粒層間的水分子與顆粒之間配合形成穩定結構。這種組成形式，表明層間水的作用之一是增強土樣的抗剪切能力，然而團聚體孔隙的液態水增加會導致土樣提前屈服。此外，水可以作為潤滑劑減少顆粒相互作用，因此隨著含水率增加，土樣更易屈服。

圖6 天然土壤元素的廣義示意

2.3 含水率對塑性黏度的影響

圖7 土樣塑性黏度隨含水率變化曲線

在線性黏彈性階段，土樣表現出有限的黏彈性[25]。當試驗進一步測試至超過屈服點時，黏土和水層表現出相反結果，水層的剪切抗性會增強[26]，而黏度則以指數形式在黏土表面下降。當含水率增加，顆粒之間距離增加，此時固-固相互作用表現不明顯，顆粒間摩擦力減少，當絮狀結構變得松散時，黏度下降明顯。此外，隨著含水率增加，顆粒之間的游離水增多，固-液相互作用表現強烈，土樣的流動性增加，黏度急劇下降。

3 結論

通過大振蕩剪切試驗，分析不同含水率對土樣的流變特性、流變參數影響規律，并從儲能/損耗模量、非線性黏彈性、屈服應力、塑性黏度等不同角度，討論不同含水率對海相黏土流變特性的影響，得到以下結論：

2）隨著含水率增加，Lissajous曲線的橢圓形狀越明顯，其非線性黏彈性越不明顯。土樣含水率增加可以削弱其非線性黏彈性。

3）屈服應力隨著含水率增加而降低，呈指數減少。隨著含水率增加，水可以作為潤滑劑減少顆粒相互作用，土樣更易屈服。

4）含水率直接影響土樣的塑性黏度。塑性黏度隨著含水率增加而降低，且近似指數關系。增加含水率可以減少顆粒固體之間接觸的可能性，固-固作用降低，顆粒之間摩擦作用減弱，土樣黏度急劇下降。

[1] 劉闖, 石瑞香, 張應華, 等.2015年全球島(礁)有多少？陸地面積及海岸線長幾何？——基于Google Earth遙感影像的數據結果[J].全球變化數據學報, 2019, 3(02): 124-148+215-239.

[2] 常軍, 劉高煥, 劉慶生.黃河三角洲海岸線遙感動態監測[J].地球信息科學, 2004, 6(1): 94-98.

[3] 龍建輝, 郭文斌, 李萍, 等.黃土滑坡滑帶土的蠕變特性[J].巖土工程學報, 2010, 32(7): 1023-1028.

[4] 孫淼軍, 唐輝明, 王瀟弘, 等.蠕動型滑坡滑帶土蠕變特性研究[J].巖土力學, 2017, 38(2): 385-391.

[5] 張曉奇, 胡新麗, 劉忠緒, 等.呷爬滑坡滑帶土蠕變特性及其穩定性[J].地質科技通報, 2020, 39(6): 145-153.

[6] 楊聞宇.剪切載荷作用下高濃度粘性泥沙流變特性的實驗研究[D].上海: 上海交通大學, 2014.

[7] 雷雁洲, 王少偉, 呂秦牛, 等.碳纖維/聚乳酸復合材料的結晶性能和流變特性[J].復合材料學報, 2018, 35(6): 1402-1406.

[8] 張凱, 林祥, 任冬云.碳基納米填料填充聚丙烯納米復合材料的制備與流變特性[J].高分子材料科學與工程, 2016, 32(7): 170-175.

[9] 沈壽長.泥石流流變特性的試驗研究[J].水利學報, 1998(9): 8-14.

[10] 胡華.粘粒含量對淤泥質軟土流變參數的影響及其機理分析[J].巖土工程界, 2005(11): 37-39.

[11] MARKGRAF W, WATTS C W, WHALLEY W R, et al.Influence of organic matter on rheological properties of soil[J].Applied Clay Science, 2012, 64: 25-33.

[12] BAUMGARTEN W, NEUGEBAUER T, FUCHS E, et al.Structural stability of Marshland soils of the riparian zone of the Tidal Elbe River[J].Soil and Tillage Research, 2012, 125: 80-88.

[13] 胡華.含水率對軟土流變參數的影響特性及其機理分析[J].巖土工程技術, 2005, 19(3): 134-136.

[14] TORRANCE J K.Physical, chemical and mineralogical influences on the rheology of remoulded low-activity sensitive marine clay[J].Applied Clay Science, 1999, 14(4): 199-223.

[15] MARR J G, HARFF P A, SHANMUGAM G, et al.Experiments on subaqueous sandy gravity flows: The role of clay and water content in flow dynamics and depositional structures[J].Geological Society of America Bulletin, 2001, 113(11): 1377-1386.

[16] NGUYEN V B Q, KANG H S, KIM Y T.Effect of clay fraction and water content on rheological properties of sand-clay mixtures[J].Environmental Earth Sciences, 2018, 77(16): 1-9.

[17] 單毅.基于礦物成分的廣東典型河口三角洲第四紀海相細粒土動力特性試驗研究[D].廣州: 華南理工大學, 2018.

[18] 莫海鴻, 單毅, 馬灝, 等.軟土動剪切模量與微觀孔隙結構試驗研究[J].巖石力學與工程學報, 2016, 35(7): 1445-1451.

[19] COLLYER A A.Techniques in rheological measurement[M].Dordrecht: Springer Netherlands, 1993.

[20] GHEZZEHEI T A, OR D.Rheological properties of wet soils and clays under steady and oscillatory stresses[J].Soil Science Society of America Journal, 2001, 65(3): 624-637.

[21] SUN W X, YANG Y R, WANG T, et al.Large amplitude oscillatory shear rheology for nonlinear viscoelasticity in hectorite suspensions containing poly(ethylene glycol)[J].Polymer, 2011, 52(6): 1402-1409.

[22] HYUN K, WILHELM M, KLEIN C O, et al.A review of nonlinear oscillatory shear tests: Analysis and application of large amplitude oscillatory shear (LAOS)[J].Progress in Polymer Science, 2011, 36(12): 1697-1753.

[23] NIEUWENHUIS J D.Rheological fundamentals of soil mechanics[J].Engineering Geology, 1988, 26(1): 102.

[24] HUECKEL T A.Water–mineral interaction in hygromechanics of clays exposed to environmental loads: a mixture-theory approach[J].Canadian Geotechnical Journal, 1992, 29(6): 1071-1086.

[25] MARKGRAF W.Rheology in soils[M]//Encyclopedia of Agrophysics.Dordrecht: Springer Netherlands, 2011: 700-705.

[26] LOW P F.Viscosity of interlayer water in montmorillonite[J].Soil Science Society of America Journal, 1976, 40(4): 500-505.

Effect of Different Moisture Content on Rheological Properties and Rheological Parameters of Marine Clay

LI Wei1, LIU Shu-zhuo1,2, SHAN Yi3,4, SUN Wei-xiang5

（1.,,510641,; 2.,,510641,; 3.,,510006,; 4.,,351225,; 5.,,510641,）

【Objective】To study the effects of different moisture content on the rheological properties of marine clay and analyze the mechanism of its rheological properties.【Method】With the aid of large oscillation shear tests, the effects of moisture content on the rheological properties of marine clay were investigated from the aspects of storage/loss modulus, nonlinear viscoelasticity, yield stress and plastic viscosity.【Result】The storage modulus value and the peak value of loss modulus were consistent with the sensitivity of moisture content.The variation law of plastic viscosity and yield stress with moisture content of marine clay was obtained by numerical fitting.【Conclusion】The nonlinear viscoelasticity of marine clay can be characterized by Lissajous curve.Moisture content has great influence on the rheological characteristics of marine clay, and the increase of moisture content will weaken the nonlinear viscoelasticity of marine clay, making the sample more likely to yield and reducing its viscosities.

rheology; marine clay; moisture content; nonlinear viscoelasticity

P642.1；TU41

A

1673-9159（2022）02-0120-06

10.3969/j.issn.1673-9159.2022.02.015

2021-10-24

國家自然科學基金項目（52008121，52011530394）；廣東省自然科學基金面上項目（2020A1515010713）；中國博士后科學基金面上項目（2020M682652）；廣東省青年優秀科研人才國際培養計劃

李偉（1995―），男，碩士研究生，研究方向為土木工程地質。E-mail：1334588213@qq.com

單毅（1989―），男，博士，助理研究員，研究方向為土木工程地質和軟土動力特性。E-mail：yshan@gzhu.edu.cn

李偉，劉叔灼，單毅，等.不同含水率對海相黏土流變特性和流變參數的影響[J].廣東海洋大學學報，2022，42（2）：120-125.